填料懸浮液及其在造紙中的應用
【技術領域】
[0001] 本文提供了一種含有溶脹的陽離子淀粉和陰離子的水溶性聚合物的填料懸浮液， 其用于造紙的方法，以及含有所述懸浮液的紙和紙制品。
【背景技術】
[0002] 在填料紙的制造中，在將填料漿料轉移到造紙機的成形部之前，常規地將其添加 到紙漿懸浮液中。通常將助留劑或含有幾個組分的助留劑體系添加到紙漿/填料懸浮液 (也稱為配料），從而將填料留著在所得到的紙張中。
[0003] 向紙添加填料可以使紙張性能得到許多改善，包括改善的不透明度、亮度、質感和 印刷清晰度。另外，當填料比紙漿便宜時，由于填料替代了紙漿纖維，因此添加填料至紙張 使成本節約。當使用低成本填料（例如沉淀碳酸鈣（PCC))替代昂貴的化學紙漿纖維時，這 種節約可以很大。此外，填料紙可以比不含填料的紙更容易干燥，結果是造紙機可以運行得 更快，消耗更少的蒸汽，這可進一步降低成本和改善生產力。
[0004] 然而，對于一個給定的紙張重量，對可添加的填料量有多種限制。得到的紙的強度 是主要因素，加上造紙機的效率，一起限制了填料含量，盡管也要考慮其它因素，例如留著 率、脫水率（drainage)和施膠。
[0005]制造具有高填料含量的紙需要一個有效的助留體系。助留劑應該在造紙過程中 發生的高剪切以及紊流下提供良好的填料留著率，并應改善脫水率而不損害構成。通常在 造紙機的流漿箱的入口之前或在造紙機的流漿箱的入口處，將助留劑化學物質添加到配料 中。所述助留劑是通過橋接和/或絮凝機理改善填料和細小纖維留著率的一種、兩種或三 種組分化學添加劑。所述化學物質有助于將填料顆粒和細小纖維（小纖維碎片）附著到長 纖維或引起它們聚集成更容易留著于網中的較大絮凝顆粒。為了產生所述附著和絮凝，所 述化學物質必須吸附在填料、細小纖維和纖維的表面上。所述化學物質的吸附度和附著力 受許多因素影響，包括配料清潔度和配料化學特征、所添加化學物質的性質、在造紙過程中 的剪切水平以及助留劑和配料組分之間的接觸時間。
[0006] 填料替代纖維不可避免地降低紙張強度，這不僅是因為紙張中有更少的纖維從而 降低了纖維-纖維結合的數目，還因為所述填料的存在降低了剩余的纖維之間的接觸。填 料顆粒本身之間不發生結合，并且它們在纖維-纖維結合區域中的位置阻止了紙漿纖維之 間產生氫鍵結合。其結果是，保留的高量的填料會產生在造紙機、施膠機（sizepress)、涂 布機、絡筒機和印刷機上可能更容易斷裂的較弱的紙張。較弱的纖維-纖維結合也降低了 紙張的表面強度，導致抗剝性的降低和紙毛脫落的增加。纖維結構中的填料顆粒的不良結 合也可能增加印刷車間內的粉塵。
[0007] 一般而言，已知通常用于造紙的所有無機填料例如但不限于粘土、研磨碳酸鈣 (GCC)、PCC、白堊、滑石、二氧化鈦和沉淀硫酸鈣（PCS)都會損害紙張的強度并增加對化學 物質的需求。具有高表面積的填料例如小偏三角面體PCC對強度具有實質性的負面影響， 并增加對用于強度、施膠和留著的添加劑的化學要求。由于其形狀、粒度分布窄和高表面 積，PCC具有以下趨勢：比其它普通造紙填料（例如白堊、GCC和粘土）更多地減少紙張中的 結合，并且還給予紙張使其過于可滲透或多孔的開放結構。當配料中PCC的含量增加時，對 施膠化學物質例如烷基烯酮二聚物（AKD)和鏈烯基琥珀酸酐（ASA)的需求增加以保持所需 的施膠度或疏水性。這是因為一部分不成比例的施膠化學物質被吸附在高表面積PCC上。 差的施膠效率和隨著時間的推移而損失的疏水性（施膠逆轉）是在用AKD和ASA施膠的高 度填充的無木紙中使用PCC所伴隨的常見問題。近年來，許多制造含木紙等級用紙的造紙 廠已經轉變為中性造紙，以允許使用亮的碳酸鈣填料，例如GCC和PCC;在這些等級的紙張 中使用碳酸鈣的主要顧慮仍在于留著率、紙張強度和打印操作方面。
[0008]現行的行業趨勢是減少紙張克重從而降低成本。遺憾的是，隨著克重下降，幾乎所 有紙張性能都會惡化，包括不透明度、抗彎剛度和滲透率的限制因素。減少克重也可能降低 造紙過程中填料的留著率，并增加紙張在造紙機上及在轉變和印刷過程中破損的頻率。為 克服紙張不透明度的損失，造紙者可以添加更多的不透明度高的填料，但這可能導致紙張 強度進一步惡化。行業需要有成本效益的技術來生產具有良好填料留著率和脫水率以及可 接受的強度、構成、光學性能和印刷性能的輕質等級用紙。
【發明內容】
[0009]因此，本發明的一個方面涉及一種用于造紙的填料懸浮液，其包括填料顆粒、溶脹 的陽離子淀粉和陰離子的水溶性聚合物。
[0010] 在本發明的一個方面，所述陰離子的水溶性聚合物是輕度交聯的。
[0011] 在本發明的一個方面，所述陰離子的、輕度交聯的、水溶性聚合物的tan S流變振 動值在〇. 005Hz下在1. 5%的水溶液中為至少0. 5。
[0012] 在本發明的一個方面，所述陰離子的、輕度交聯的、水溶性聚合物包括丙烯酸鈉、 丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺。
[0013] 在本發明的一個方面，所述陰離子的水溶性聚合物為TELIOFORM'? M305。
[0014] 在本發明的一個方面，所述填料顆粒選自由以下組成的組：粘土、滑石、研磨碳酸 鈣、白堊、沉淀碳酸鈣、沉淀硫酸鈣及它們的組合。
[0015] 在本發明的一個方面，在陽離子淀粉的凝膠點溫度±l〇°C下，用熱水溶脹所述陽 離子淀粉粒而不使所述陽離子淀粉熟化（cooking)。
[0016] 在本發明的一個方面，溶脹所述陽離子淀粉粒的溫度是凝膠點溫度+l〇°C。
[0017] 在本發明的一個方面，所述填料顆粒的尺寸為1-10微米。
[0018] 在本發明的一個方面，所述溶脹的陽離子淀粉粒的尺寸為25-100微米。
[0019] 在本發明的一個方面，基于所述填料懸浮液的總固體含量，所述填料顆粒按重量 計以60 %至99. 5 %的量存在，所述溶脹的陽離子淀粉按重量計以35 %至0. 499 %的量存 在，并且所述陰離子的水溶性聚合物按重量計以5. 0%至0. 001 %的量存在。
[0020] 本發明的一個方面是一種紙漿配料，其包含紙漿纖維和本文的填料懸浮液。
[0021] 在本發明的一個方面，所述紙漿配料還包含選自由以下組成的組的共添加劑：施 膠劑、濕強劑、助留劑及它們的組合。
[0022] 本發明的一個方面是一種紙，其包含上述紙漿配料。
[0023]本發明的一個方面是一種生產用于造紙的填料懸浮液的方法，其包括使填料顆粒 與溶脹的陽離子淀粉和陰離子的水溶性聚合物接觸。
[0024] 在本發明的一個方面，在上述方法中，所述陰離子的水溶性聚合物是輕度交聯的。
[0025] 本發明的一個方面是一種制造紙張的方法，其包括：使紙漿纖維與本文的填料懸 浮液接觸以形成一種紙漿配料；通過線路排出所述紙漿配料以形成紙張；及干燥所述紙 張。
[0026] 在本發明的一個方面，在上述方法中，所述紙漿配料還包含一種選自由以下組成 的組的共添加劑：施膠劑、濕強劑、干強劑、助留劑及它們的組合。
【附圖說明】
[0027] 圖1是一種造紙方法的示意圖，其中陰離子的水溶性聚合物、陽離子的溶脹的淀 粉和填料被基本上同時混合在一起。
[0028] 圖2是一種造紙方法的示意圖，其中陰離子的水溶性聚合物與溶脹的陽離子淀粉 在與填料混合之前被預混合。
[0029] 圖3是一種造紙方法的示意圖，其中陰離子的水溶性聚合物與填料在與溶脹的陽 離子淀粉混合之前被預混合。
[0030] 圖4是一種造紙方法的示意圖，其中溶脹的陽離子淀粉與填料在與陰離子的水溶 性聚合物混合之前被預混合。
[0031] 圖5是當加熱至玉米淀粉的凝膠溫度及高于玉米淀粉的凝膠溫度時，玉米淀粉的 粘度反應的曲線圖。
[0032] 圖6包括玉米淀粉粒在水加熱時在不同溫度下的顯微圖像。
【具體實施方式】
[0033] 概述
[0034] 除非另有明確說明，否則本文中所使用的單數包括復數，反之亦然。也就是說，"一 種"和"所述"是指一種或多種的此詞所修飾之物。例如，"一種輕度交聯的聚合物"包括一 種這樣的聚合物、兩種這樣的聚合物，或在適當的情況下，甚至更多的這樣的聚合物。再次 地，除非另有明確說明或從上下文明顯得出并不意指這樣，否則出于同樣的原因，例如但不 限于"施膠劑"這樣的詞語可以指多種這樣的試劑或僅僅指一種這樣的試劑。
[0035] 近似性的詞語例如但不限于"約"、"大體上"、"基本上"和"近似地"表示所修飾的 特征不需要精確地是所明確描述的，而可以在某種程度上不同于書面描述。這種不同于描 述的程度將取決于可能產生多大的改變，并且使本領域的普通技術人員認識到所修飾的特 征仍具有未修飾的特征所需的特性和功能。一般地，受制于前面的討論，本文中由近似性的 詞語所修飾的明確表示或暗示的值可以與設定值相差±15%。
[0036] 組合物
[0037] 在本文中